半导体-微生物界面电子传递及其在环境领域的应用

doi:10.7503/cjcu20220089

摘要/Abstract

摘要：

半导体-微生物复合体系在污染物深度降解、合成有价化学品及元素生物地球化学循环等领域发挥着重要作用, 其界面反应过程的核心是电子转移. 本文重点阐述了微生物/半导体界面上微生物的种类和功能、半导体的种类及光催化机制, 总结了半导体-微生物界面的直接和间接电子传递途径, 讨论了强化界面电子传递的方法以及半导体与微生物系统的稳定性, 介绍了近年来半导体-微生物复合体系在污染物转化、化学品合成以及资源循环利用方面的应用现状, 以期为半导体-微生物复合体系的设计及其环境领域应用提供指导.

关键词: 半导体, 微生物, 胞外电子传递, 微生物电化学, 微生物电合成

Abstract:

Semiconductors are widely detected in the natural environment， and microbes are one of the most abundant living organisms on the earth. Semiconductor-microbe hybrid system plays a key role in many fields， such as deeply degradation and mineralization of refractory pollutants， synthesis of value-added chemicals， and bio- geochemical cycles of elements. The key factor between semiconductors and microorganism centers on the electron transfer mechanism and pathway on the abiotic/biotic interface. Therefore， this review focused on the electron transfer on semiconductor-microbe interface， and summed up the functional types of microorganisms， types of semiconductors and photocatalytic mechanism on the biotic/abiotic hybrid system. Direct and indirect electron transfer pathway on the semiconductor-microbe interface were summarized. Methods of enhancing electron transfer methods were also introduced， including direct electron transfer enhanced by semiconductor modification， reducing photo-electrons and holes recombination， and indirect electron transfer enhanced by electron shuttles and carriers. At last， this paper introduces the application of the semiconductor-microbe hybrid system in the environmental field over recent years， including refractory pollutants synergistic degradation， value-added chemical synthesis， and elemental bio-geochemical cycling on the earth. We hope this review will help researchers to strengthen the understanding of the semiconductor-microbe interface， and propose solutions for the design and applications of the hybrid semiconductor-microbe system in the environmental field.

Key words: Semiconductor, Microbe, Extracellular electron transfer, Microbial electrochemistry, Microbial electrosynthesis

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 5

Fig.1 Representative species of functional microorganisms in semiconductor?microbial hybrid systems（A） R. paulustris；（B） S. cerevisiae；（C） S. oneidensis MR-1；（D） G. sulfurreducens；（E） M. barkeli；（F） E. coli；（G） T. denitrificans；（H） M. thermoacetica.

Fig.2 Schematic illustration of the photocatalytic redox reactionsSemiconductor is excited by solar energy and the electron?hole pair is generated. VB， valence band； CB， conductive band； Eg， bandgap. Path A： bulk recombination of photo?electrons and holes； path B： photo?electrons and holes recombine on the surface of semiconductor； path C： engagement of electrons and holes in surface reduction reactions； path D： engagement of electrons and holes in surface oxidation reactions.

Fig.3 Band gaps and band edge position alignment diagram of photocatalysts for Fe2O3, TiO2, ZnS, CdS, PbS, CdSe, and g?C3N4

Fig.4 Direct extracellular electron transfer pathways in semiconductor?microbe hybrid system

Fig.5 Indirect extracellular electron transfer pathways in semiconductor?microbe hybrid system

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